Characterization of EM wave propagation in metamaterial environments
Metamalzeme ile yüklenmiş ortamlardaki elektromanyetik dalga yayılımının karakteristiği
- Tez No: 542059
- Danışmanlar: PROF. DR. ERCAN TOPUZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Doğuş Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 139
Özet
Bu tezde, metamalzeme ile yüklenmiş ortamlardaki elektromanyetik dalga yayılımının analitik ve nümerik çözümleri verilmiştir. Maxwell denklemlerini çözmenin bilinen en popüler sayısal tekniklerinden biri olan Zaman Bölgesinde Sonlu Farklar (Finite Difference Time Domain, FDTD) metodu, Yardımcı Diferansiyel Denklem (Auxiliary Differential Equation, ADE) ve Parçalı Doğrusal İteratif Konvolüsyon (Piecewise Linear Recursive Convolution, PLRC) yöntemleri kullanılarak Maxwell dönel ve dalga denklemleri dispersif ortamlarda elektromanyetik dalga yayılımını incelemek için kullanılmıştır. Lorentz modeliyle tanımlanan Epsilon Negatif (ENG) ortamda elektromanyetik dalga yayılımı, dalga denklemi tabanlı dispersif FDTD algoritmalarından ADE ve PLRC yöntemleri kullanılarak incelenmiş, sayısal sonuçlar analitik sonuçlarla karşılaştırılmış ve dalganın ENG malzeme ile yüklü ortamdaki saçılma karakteristiği gösterilmiştir. Çift negatif malzeme (Double Negative Material, DNG) ile yüklü ortam için ise ADE yaklaşımı kullanılarak dalga denklemi tabanlı FDTD algoritması elde edilmiş ve dalga denklemi kullanılarak elde edilen FDTD algoritmasının bilgisayar bellek/hesaplama zamanı gereksinimleri açısından Maxwell dönel denklemleriyle elde edilen algoritmaya göre artıları ve eksileri ortaya konulmuştur. Bu tezde ele alınan bir diğer konu ise bir ve iki boyutlu DNG malzeme ile yüklü bir ortamın Mur tipi emici sınır koşul ile sonlandırılması için yeni bir formülasyonun geliştirilmiş olmasıdır. Tek yönlü dalga denklemlerinden elde edilen FDTD denklemleri, DNG ortamlar için PLRC yöntemi yardımıyla birinci ve ikinci mertebeden Mur tipi sınır koşulu için tekrar düzenlenmiş ve. tüm denklem katsayıları sırasıyla Lorentz ve Drude model parametreleri için ayrı ayrı verilmiştir. Geliştirilen DNG-Mur tipi ABC'nın geçerliliği ve doğruluğu literatürde verilen DNG ortama uyarlanmış Tek Eksenli Mükemmel Uyumlu Tabaka (Uniaxial PML, UPML) tipi ABC ile soğurma performansı ve bellek/hesaplama zamanı gereksinimi açısından karşılaştırılmıştır. Son olarak, enine ve aynı zamanda eksenel yönler boyunca kayıpsız/kayıplı, özdeş/özdeş olmayan frekansa bağlı elektriksel-manyetik parametrelerle tanımlanmış DNG malzeme ile yüklü dikdörtgen dalga kılavuzundaki yayılma problemi incelenmiştir.Lorentz tipi DNG malzeme ile enine tabakalanmış bölgelerde geçerli özdeğer denklemi kullanılarak sönen, yayılan ve kompleks dalgalara yönelik çözümler elde edilmiştir. Bu çözümlerden yola çıkılarak farklı özelliklere sahip modal alanlar arasında geçişleri karakterize eden“kesme”olayları incelenmiş, yüzey dalgaları, sönen/ilerleyen dalgalar ve ileri/geri giden dalgalar arasındaki ilişki belirlenmiş, faz ve grup hızlarındaki değişiklikler hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçların frekansa, doluluk faktörüne ve dispersif malzeme parametrelerine olan bağımlılıkları değişik örneklerle açıklanmıştır. Yüzey dalgalarının oluştuğu ve kayıpsız parametreler kullanıldığında karmaşık özdeğerlerin ortaya çıktığı koşullar da ayrıca belirtilmiştir. Iletim/yansıma katsayıları ise Mod Eşleştirme Yöntemi kullanılarak kayıplı ve kayıpsız DNG malzemeler için hesaplanmıştır. Eksenel yönde periyodik olarak hava-DNG tabakaları ile yüklü dalga kılavuzundaki elektromanyetik dalga yayılım karakteristiğini incelemek için uygun biçimde genişletilmiş Floquet dalgaları dikkate alınmıştır. Böylece özdeğer ve bant-kenar denklemleri elde edilmiş, dispersiyon ve bant kenarı için nümerik çözümler sunulmuştur. Saçılma karakteristiğinin birim hücre sayısına, sonlandırılmış yapıdaki birim hücre sayısına ve sonlandırma stratejisine bağlılığı örneklerle açıklanmış, hesaplanan yansıma/iletim katsayısı FDTD metodu sonuçları ile karşılaştırılmıştır.
Özet (Çeviri)
In this thesis, analytical and numerical solutions of the electromagnetic wave propagation in certain environments loaded with metamaterial (MTM) are presented. Finite Difference Time Domain (FDTD) algorithm is one of the most popular numerical techniques applicable to this problem area provided that it is augmented with Auxiliary Differential Equation (ADE) or Partial Linear Recursive Convolution (PLRC) methods to account for the dispersive characteristics of the MTM. To investigate the electromagnetic wave propagation in dispersive media Maxwell's curl and wave equation based FDTD algorithms are developed. FDTD update equations are obtained using ADE and also PLRC FDTD formulations for MTM medium described by Lorentz models. Numerical results obtained using the proposed FDTD algorithm are compared with the analytical results. FDTD algorithm based on the wave equation for double-negative (DNG) medium is also obtained using ADE approach, and its performance in terms of computational time and memory requirements is compared with the curl equation based formulations. Another issue discussed in this thesis is the novel formulation of Mur's ABC developed for truncating the DNG media for 1D and 2D problems using PLRC-FDTD algorithm. Efficient and simple FDTD update equations for first and second order Mur's absorbing boundary conditions (ABC) are obtained from frequency domain one-way wave equation using PLRC method and coefficient parameters are given for both Lorentz and Drude models. To demonstrate the validity and stability of the proposed Mur formulations, its absorption performance and computational advantages are compared with modified Uniaxial Perfectly Matched Layer (UPML). Finally, electromagnetic wave propagation is investigated in a rectangular waveguide partially loaded with DNG materials along a transverse or along the axial directions. Properties of eigen-solutions in waveguide environments partially loaded with Lorentz type DNG materials, modelled by lossless/lossy, identical/non-identical electric and magnetic parameters are investigated. The phase and group velocities are calculated and drawn for several problem scenarios. Modal cutoff phenomena associated with surface waves, transitions between evanescent/propagating, forward/backward waves and their dependence on frequency, filling factor and material parameters are also investigated. Novel conditions are given for existence of surface waves and for emergence of complex eigenvalues in the absence of losses. Analytic solutions of reflection and transmission coefficients are obtained for single mode supporting waveguide sections fully/partially loaded with DNG slabs in one transverse direction using Mode Matching Method. Floquet mode formalism is extended and applied to description of propagating fields in a waveguide loaded along the axial direction with air-DNG slabs in a quasiperiodic fashion. Eigenvalue and band-edge equations are obtained and representative solutions for dispersion and band edge diagrams are presented. Scattering characteristics and their dependence on the number of unit cells and the termination strategy used in the truncated structure are also investigated. Frequency dependence of reflection and transmission factors are calculated using frequency domain approach and compared with the results obtained from FDTD method.
Benzer Tezler
- Design, fabrication and characterization of micromachined THz absorbers
Mikro ̇ıslenmis THz emicilerin tasarımı, Üretimi ve karakterizasyonu
AYDA MAMAGHANİ
Doktora
İngilizce
2020
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBoğaziçi ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARDA DENİZ YALÇINKAYA
- Hierarchical dirichlet process based gamma mixture modelling for terahertz band wireless communication channels and statistical modelling of 240 GHz - 300 GHz band
Terahertz bandı kablosuz haberleşme kanalları için hiyerarşik dirichlet sürecine dayalı gamma karışım modeli ve 240 GHz-300 GHz bandının istatistiksel modellenmesi
ERHAN KARAKOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNEŞ ZEYNEP KARABULUT KURT
- Design and characterization of electromagnetic wave absorbing structural composites
Elektromanyetik dalga soğurucu yapısal kompozitlerin tasarımı ve karakterizasyonu
GÖKSU GÜRER
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü
DOÇ. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU
- Katkılı NiFe2O4 polimer tabanlı mikrodalga yutucuların frekans seçici malzeme tasarımı
Frequency selector material design by using microwave absorbers wi̇th doped NiFe2O4 polymmer based
ETHEM İLHAN ŞAHİN
Doktora
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. MESUT KARTAL
- Functionalization of glass fiber woven fabrics by ito coatings and characterization of their electromagnetic properties
Cam elyaf dokuma kumaşların ıto kaplamaları ile işlevselleştirilmesi ve elektromanyetik özelliklerinin karakterizasyonu
MERVE ÖZDİL DARICIOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARCAN FEHMİ DERİCİOĞLU